Nhựa kỹ thuật là gì?

1. Về nhựa

Nhựa kỹ thuật là thuật ngữ chung cho một họ vật liệu nhựa có độ bền và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Cụ thể hơn, nhựa kỹ thuật là loại nhựa có chức năng cao với khả năng chịu nhiệt điển hình trên 100°C, độ bền trên 49 MPa (500 kgf/㎠) và mô đun uốn trên 2,4 GPa (24.500 kgf/㎠).

Đánh giá cao các tính chất độc đáo của nhựa kỹ thuật đòi hỏi sự hiểu biết cơ bản về nhựa nói chung. Nhựa là những chất có cấu trúc hóa học gồm các chuỗi polyme; như trong Hình 1, đây là những phân tử kéo dài, trong đó có tới 1.000 nguyên tử carbon trở lên được liên kết với nhau trong một cấu trúc linh hoạt có thể di chuyển tương đối tự do khi cô lập. Tuy nhiên, khi những phân tử dài này tập trung lại với nhau, chúng trở nên gắn bó chặt chẽ với nhau đến mức rất khó – ít nhất là ở nhiệt độ bình thường – để bất kỳ một phân tử nào tách ra khỏi những phân tử khác. Mặt khác, ở nhiệt độ cao, chuyển động phân tử được kích hoạt và các lực ràng buộc các phân tử lân cận dần dần giãn ra, cho phép các phân tử chuyển động tự do hơn. Đây là lý do tại sao nhựa nóng chảy ở nhiệt độ cao.

Khi nhựa bị vỡ hoặc hư hỏng trong dung môi, đó là do các phân tử thon dài của chúng bị tách ra khỏi nhau. Tuy nhiên, độ dài của chuỗi phân tử bao gồm các loại nhựa điển hình là đủ để đảm bảo rằng các phân tử có xu hướng không bị tách ra trong điều kiện sử dụng thông thường.
Những đặc tính hoạt động này của chuỗi polyme đủ để giải thích các tính năng quan trọng nhất của nhựa:

(1) Độ bền và độ cứng của chúng đủ để chịu được các ứng dụng thực tế.
(2) Chúng là chất rắn ở nhiệt độ phòng.
(3) Ở nhiệt độ cao hơn, chúng tan chảy và có thể được đúc thành hầu hết mọi hình dạng.

2. Nhựa kỹ thuật là gì?

Trong số các loại nhựa khác nhau, thuật ngữ nhựa kỹ thuật dùng để chỉ một loại vật liệu nhựa cụ thể mang lại hiệu suất cao bất thường. Để ngăn chặn sự tan chảy ngay cả ở nhiệt độ cao và giảm thiểu sự phân hủy khi có dung môi, các chuỗi phân tử trong nhựa phải được ngăn chặn chuyển động. Như được mô tả ở Cột 1, có nhiều chiến lược khác nhau để đạt được mục tiêu này; đối với nhựa kỹ thuật, phương pháp phổ biến nhất là đưa các nguyên tử không phải cacbon (ký hiệu X trong Hình 2) vào chuỗi phân tử.

Liên kết CX ngăn chặn chuyển động phân tử nhiều hơn liên kết CC, làm tăng nhiệt độ nóng chảy; chèn các vòng benzen thay vì các nguyên tử đơn lẻ mang lại hiệu ứng ức chế chuyển động thậm chí còn lớn hơn.

3. Các loại nhựa kỹ thuật

Trong số các loại nhựa kỹ thuật khác nhau, loại được sử dụng rộng rãi nhất là nhựa kỹ thuật đa năng, trong đó 5 loại quan trọng nhất được gọi là 5 loại nhựa kỹ thuật chính.​
Để đạt được những cải tiến hiệu suất hơn nữa thường đòi hỏi phải khai thác những ưu điểm của vòng benzen. Nhựa kỹ thuật được chế tạo với nồng độ vòng benzen cao hơn trong chuỗi sơ cấp—do đó cải thiện nhiều tính chất vật lý khác nhau, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt—đôi khi được gọi là nhựa siêu kỹ thuật.

Bạn có thể tìm thấy nhiều thông tin hơn về các danh mục và loại nhựa kỹ thuật và nhựa siêu kỹ thuật khác nhau trong loạt bài Cơ sở phân tích CAE, và cụ thể là trong Tập 2: Các khía cạnh cơ bản của CAE nhựa.

4. Tổng quan về 5 loại nhựa kỹ thuật hàng đầu

Bảng 1 trình bày tổng quan về năm loại nhựa kỹ thuật chính.

Ba loại trên là nhựa kết tinh (xem Cột 2), được liệt kê theo thứ tự từ độ kết tinh cao nhất đến thấp nhất. Hai loại thấp hơn là nhựa không kết tinh. Trong số tất cả các loại nhựa kỹ thuật đa năng, polycarbonate là loại nhựa không kết tinh trong suốt duy nhất. Mặc dù ete polyphenylene biến tính (PPE) cũng là nhựa không kết tinh, PPE hiếm khi được sử dụng riêng lẻ; thay vào đó, nó thường được sử dụng làm vật liệu hợp kim polyme (Cột 3). PPE nguyên chất có khả năng chịu nhiệt cao nhưng khó tạo thành các hình dạng phức tạp; hợp kim với các loại nhựa khác như polystyrene tạo ra vật liệu có thể dễ dàng tạo hình đồng thời mang lại nhiều đặc tính mong muốn.

Trong phần tiếp theo, chúng tôi khảo sát ngắn gọn các đặc điểm chính của năm loại nhựa kỹ thuật chính.

Polyaxetat (POM)

Trong số năm loại nhựa kỹ thuật chính, polyacetal có độ kết tinh cao nhất, đảm bảo khả năng chống mài mòn tuyệt vời khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các bánh răng, giá đỡ trục và các bộ phận khác cần thiết để chịu được chuyển động trượt thường xuyên. POM tồn tại ở hai dạng: homopolyme và copolyme (Cột 3). Homopolymer POM có điểm nóng chảy cao, độ bền và độ cứng tuyệt vời, trong khi POM copolyme linh hoạt và có khả năng chống suy thoái do nhiệt, kháng hóa chất và chống chịu thời tiết tuyệt vời.

Polyamit (PA)

Polyamid (PA) tồn tại ở nhiều loại, trong đó hai loại nhựa kỹ thuật đa năng được sử dụng phổ biến nhất làm vật liệu kết cấu là PA6 và PA66. PA là một loại nhựa kết tinh trong đó lực liên phân tử mạnh, bắt nguồn từ sự hiện diện của các nhóm amide, đảm bảo tính chất cơ học tuyệt vời và khả năng kháng dung môi. Trong số các loại nhựa polyamit được sử dụng rộng rãi nhất là các loại nhựa chuyên dụng mang lại hiệu suất đặc biệt cao trong các lĩnh vực cụ thể như khả năng chống cháy hoặc chịu nhiệt, cũng như các loại được gia cố bằng sợi thủy tinh hoặc chất độn khác.
Ngoài các loại nhựa kỹ thuật đa năng PA6 và PA66, còn có nhiều loại nhựa polyamit chuyên dụng, bao gồm PA612 và PA12, kết hợp ít nhóm amit hơn để giảm khả năng hấp thụ nước; PA610 và PA11 được làm từ nguyên liệu có nguồn gốc thực vật; và PA4T, PA6T, PA9T, có kết hợp các vòng benzen để tăng khả năng chịu nhiệt.

Polybutylene terephthalate (PBT)

PBT, một loại nhựa kết tinh có chuỗi chính chứa các vòng benzen, mang lại các đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng kháng dung môi. Vật liệu này cũng có tính năng hấp thụ nước thấp, ổn định kích thước tốt và đặc tính điện vượt trội, đồng thời dễ dàng sửa đổi để tăng cường khả năng chống cháy hoặc gia cố sợi. Những đặc điểm này làm cho PBT trở thành sự lựa chọn vật liệu được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận ô tô và điện.

Polycarbonate (PC)

Polycarbonate (PC), một loại nhựa không kết tinh có chuỗi chính chứa các vòng benzen, là vật liệu trong suốt duy nhất trong số các loại nhựa kỹ thuật đa năng. PC được sử dụng để chế tạo ống kính và các thành phần quang học khác, cũng như phương tiện lưu trữ quang học như DVD. Vật liệu hợp kim được hình thành bằng cách trộn PC với ABS có khả năng chống va đập tuyệt vời và đặc tính hình thành tốt và được sử dụng cho các sản phẩm như vỏ thiết bị gia dụng.

Ête polyphenylene biến tính (m-PPE)

M-PPE là loại nhựa không kết tinh có trọng lượng riêng thấp nhất trong số tất cả các loại nhựa kỹ thuật đa năng, khiến nó trở thành lựa chọn tốt cho các thành phần nhẹ nhằm hỗ trợ giảm trọng lượng sản phẩm. M-PPE có khả năng chịu nhiệt tốt, kháng hóa chất vô cơ tốt và độ chính xác kích thước cao; nó cũng tương đối dễ dàng để tạo ra chất chống cháy do khả năng chống cháy của PPE. Mặc dù, như đã lưu ý ở trên, PPE có tính năng chịu nhiệt cao nhưng đặc tính tạo khuôn kém khiến PPE nguyên chất trở thành vật liệu khó tạo thành các hình dạng phức tạp. Vì lý do này, PPE thường được biến đổi bằng cách tạo hợp kim với polystyrene hoặc các loại nhựa khác để tạo ra vật liệu dễ tạo hình với nhiều đặc tính mong muốn khác. Trong những năm gần đây, PPE đã được pha trộn với nhiều loại nhựa không phải polystyrene ngày càng đa dạng để tạo ra các vật liệu mới đáp ứng nhiều nhu cầu đa dạng. Thuật ngữ M-PPE, viết tắt của "PPE biến đổi", nhằm mô tả các vật liệu được chế tạo đặc biệt dễ sử dụng bằng cách khai thác hợp kim polymer.

5. Nhựa kỹ thuật thân thiện với môi trường

So với nhựa thông dụng, việc sử dụng nhựa kỹ thuật làm giảm tổng khối lượng nguyên liệu cần thiết để tạo ra các sản phẩm có chất lượng giống nhau; Hơn nữa, việc thay thế nguyên tử cacbon bằng các nguyên tố khác trong chuỗi sơ cấp giúp giảm lượng khí nhà kính thải ra khi sản phẩm bị đốt cháy sau khi sử dụng. Ngoài ra, nhiều thành phần được sử dụng để sản xuất nhựa kỹ thuật—bao gồm rượu, axit cacboxylic, phenol, amin và amit—có nguồn gốc từ thực vật hoặc dễ dàng tổng hợp từ các chất có nguồn gốc từ thực vật, tạo điều kiện thuận lợi cho nỗ lực giảm sử dụng tài nguyên nhiên liệu hóa thạch. . Ví dụ, dầu thầu dầu—thành phần chính dùng để sản xuất polyamit 11 và polyamit 610—có nguồn gốc từ thực vật, trong khi formalin, được sử dụng để sản xuất polyacetal, thu được từ quá trình oxy hóa metanol, do đó có thể được tạo ra bằng quá trình lên men các chất có nguồn gốc thực vật. thành phần.
Trong số nhiều sản phẩm được làm từ nhựa kỹ thuật, các linh kiện công nghiệp là một trong những sản phẩm quan trọng và nhiều nhất, trong khi nhựa dùng một lần— ứng dụng chính cho hầu hết các vật liệu nhựa đa năng — lại rất hiếm.
Vấn đề ngày càng nghiêm trọng về sự nóng lên toàn cầu đòi hỏi sự quan tâm khẩn cấp đến mục tiêu giảm dấu chân môi trường trong mọi tầng lớp xã hội và nhựa kỹ thuật cũng không ngoại lệ: nỗ lực giảm khối lượng vật liệu và tăng tuổi thọ sản phẩm, trong cả sản xuất và sử dụng nhựa kỹ thuật, có tầm quan trọng trung tâm. Quả thực, nếu thời gian sử dụng hữu ích của một sản phẩm tăng gấp đôi, người ta có thể lập luận rằng tổng tác động môi trường của nó—từ việc sử dụng đến việc loại bỏ—giảm đi một nửa.
Do đó, thách thức trong việc tăng cường chức năng—và kéo dài tuổi thọ—của nhiều loại vật liệu là một bước quan trọng nhằm giảm thiểu tác hại đến môi trường Trái đất.

→ Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về Vai trò của Asahi Kasei Engineering Plastics trong việc đạt được mục tiêu trung hòa carbon

Cột 1: Chiến lược nâng cao hiệu suất cho polyme hình chuỗi

Thách thức trong việc cải thiện các đặc tính vật liệu của nhựa—bao gồm độ bền, khả năng kháng hóa chất và khả năng chịu nhiệt—có thể, chỉ với một chút đơn giản hóa, có thể được giảm xuống thành một mục tiêu bao quát: hạn chế chuyển động của các phân tử. Ví dụ, hiện tượng biến dạng hình dạng xảy ra khi các phân tử lân cận thay đổi cấu hình động học, trong khi các hiện tượng như vỡ, nóng chảy,​ ​hòa tan là do các phân tử lân cận tách ra khỏi nhau. Do đó, việc ngăn chặn sự xuất hiện của tất cả các hiện tượng như vậy đòi hỏi phải ngăn chặn chuyển động phân tử và tồn tại nhiều chiến lược khác nhau để đạt được điều này, trong đó chiến lược quan trọng nhất được tóm tắt trong Bảng 2.

Như được trình bày trong Bảng 2, hiệu suất có thể được tăng lên theo hai cách chính: bằng cách hạn chế chuyển động riêng lẻ của chính các phân tử hoặc bằng cách ngăn chặn chuyển động giữa các phân tử của các phân tử so với các phân tử lân cận khác. Trong trường hợp trước, yếu tố chính là chiều dài của các phân tử hình chuỗi trong nhựa; mỗi chuỗi phân tử càng dài thì chuyển động của nó càng bị hạn chế bởi sự hiện diện của các chuỗi lân cận, do đó hiệu suất tăng lên. Hiệu suất có thể được nâng cao hơn nữa bằng cách chèn các nguyên tử không phải cacbon hoặc các vòng benzen vào chuỗi phân tử để tăng độ cứng của chúng (Hình 2) hoặc bằng cách tăng kích thước của chuỗi bên để cản trở chuyển động phân tử. Sửa đổi chuỗi sơ cấp nhằm tăng khả năng chịu nhiệt. Những kỹ thuật này được sử dụng không có ngoại lệ để nâng cao hiệu suất của nhựa kỹ thuật (Bảng 2 và 3).

Chiến lược mở rộng chuỗi bên để tăng độ cứng tương đối dễ thực hiện và do đó được sử dụng để đa dạng hóa các đặc tính của nhựa đa năng. Tuy nhiên, phương pháp này không ảnh hưởng đến cấu trúc của chuỗi sơ cấp và do đó mang lại sự cải thiện tối thiểu về khả năng chịu nhiệt.

Cách tiếp cận khác—tăng cường lực liên phân tử—nhằm ngăn chặn các phân tử lân cận tách ra và bao gồm các chiến lược như kết tinh để tạo ra cấu hình có trật tự, kỹ thuật tối ưu hóa cấu trúc phân tử và nỗ lực tăng ái lực giữa các phân tử.

Cột 2: Độ kết tinh

Khi một phân tử hình chuỗi dài ra, nó có cấu hình ngoằn ngoèo như trong Hình 3. Khi một phân tử ở trạng thái như vậy tiếp cận một phân tử khác, các phân tử này dần dần ổn định ở trạng thái ổn định tối đa ở một khoảng cách giữa các phân tử cố định nhất định. Khi quá trình này lặp lại, các chuỗi kéo dài cuối cùng tạo thành một cấu hình bao gồm các mảng định kỳ của các phân tử có khoảng cách đều nhau (Hình 3) - nghĩa là chúng tạo thành một tinh thể. Các tinh thể ổn định hơn và đậm đặc hơn các trạng thái vật chất không kết tinh và lực liên phân tử mạnh của chúng đảm bảo khả năng chịu nhiệt cao và tính chất cơ học tốt.
Các polyme duy nhất có khả năng hình thành tinh thể là những polyme có cấu trúc phân tử cho phép dễ dàng sắp xếp thành các mảng; nhựa hình thành từ các vật liệu như vậy được gọi là nhựa tinh thể. Ngược lại, nhựa không tạo thành tinh thể được gọi là nhựa không kết tinh.

Cột 3: Copolyme và hợp kim polymer

Một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi là trộn nhựa X với nhựa Y để tạo ra vật liệu mới có đặc tính trung gian giữa hai chất thành phần; như thể hiện trong Hình 4, có hai cách chính để thực hiện việc này. Cách tiếp cận đầu tiên, được gọi là đồng trùng hợp, là trộn các thành phần X và Y ở cấp độ phân tử phụ, tạo ra các sản phẩm được gọi là copolyme. Các polyme chỉ chứa một thành phần chuỗi phân tử duy nhất được gọi là homopolyme.
Cách tiếp cận thứ hai bắt đầu bằng cách hình thành riêng biệt các phân tử chất X và phân tử chất Y, sau đó trộn lẫn hai loại phân tử này để tạo ra hợp kim polyme— một thuật ngữ mượn từ ngành luyện kim để nhấn mạnh sự tương đồng với hợp kim kim loại.

 

(Viết bởi Isao Sato, Văn phòng Kỹ thuật Isao Sato)

Asahi Kasei cam kết cung cấp một loạt các sản phẩm nhựa kỹ thuật đầy đủ—và khai thác chuyên môn công nghệ độc đáo của chúng tôi để cải thiện hiệu suất sản phẩm. Vui lòng liên hệ với chúng tôi để đặt bất kỳ câu hỏi nào, thảo luận về bất kỳ mối quan tâm nào và yêu cầu mẫu.